从 Robot 到 RobotEX：舵机通信抗干扰与组网方案的演进

在人形格斗机器人中，舵机（伺服电机）是实现动作执行的核心执行器。早期 Robot 采用“菊花链”串行拓扑——主控通过单路 UART 依次向串联的舵机发送指令，每台舵机解析自身地址后转发剩余数据。这种设计虽节省引脚，却埋下了严重隐患：单点故障即可导致全身瘫痪。例如，某舵机因过载死机，其 RX/TX 引脚卡死，后续所有舵机将收不到指令；又或在高频动作下，多路 PWM 与串口信号相互干扰，引发上半身失控。

为解决这些问题，RobotEX 重构了舵机通信架构，核心目标是：高可靠性、强抗干扰、故障隔离、低延迟响应。

一、痛点复盘：初代架构的三大缺陷

二、新架构：星型拓扑 + 主动上报 + 硬件隔离

RobotEX 改为主从星型结构：

• 主控（STM32F4） 独立驱动每台舵机的 TX 线（共 N 路 GPIO）；
• 所有舵机的 RX 线不直接并联，而是通过 74HC4066 模拟开关接入主控的单路 UART_RX。

工作逻辑如下：

• 正常通信时，主控使能对应舵机的电子开关，建立点对点通道；
• 当某舵机异常（如电流过大、通信超时），主控立即关闭其 RX 开关，将其从总线隔离，其余舵机不受影响。

为何不用多 UART？
STM32F4 虽有多个硬件 UART，但数量有限（通常3–4个），而机器人自由度常达17+。软件模拟 UART 成本高，且难以保证时序。电子开关方案以极低成本（<¥0.5/路）实现了“虚拟多串口”。

三、通信协议升级：从轮询到事件驱动

我们摒弃了低效的“主控轮询”模式，采用 “主动上报 + ACK 确认” 机制：

• 指令下行：主控广播指令帧（含目标舵机 ID），仅目标舵机响应；
• 事件上行：当舵机检测到关键事件（如堵转、外部打击触发霍尔传感器），立即请求发送（RTS），主控开放其 RX 通道后，舵机上传事件包；
• ACK 机制：主控收到事件后回传 ACK，若舵机未收到，则在下次主循环重发，确保关键信息不丢失。

此方案使打击响应延迟从 50ms 降至 <8ms，满足竞技场景的实时性要求。

四、抗干扰加固措施

五、实测效果与可靠性验证

我们在 20 台 RobotEX 上进行了为期 3 个月的压力测试：

• 故障隔离：人为短接任意 3 台舵机通信线，其余关节仍可正常运动；
• 抗干扰：在 2.4GHz Wi-Fi、蓝牙、20 台机器人同场运行的复杂电磁环境下，通信误码率 < 0.001%；
• 寿命测试：连续 10 万次“出拳-受击”循环后，通信稳定性无衰减。

此外，新架构支持动态舵机映射——更换手臂模块后，主控通过 I²C 读取模块 EEPROM 中的配置表，自动适配舵机 ID 与功能，无需重新烧录固件。

六、总结

从菊花链到星型拓扑，从轮询到事件驱动，RobotEX 的舵机通信系统完成了一次由“能用”到“可靠、智能、可维护”的跃迁。其核心思想是：在资源受限的嵌入式系统中，巧妙结合低成本硬件（电子开关）与高效软件协议（主动上报+ACK），往往比堆砌高性能芯片更能解决实际工程问题。这套架构不仅提升了产品鲁棒性，也为未来引入力控、柔顺控制等高级功能奠定了通信基础。